Investigadores de la Universidad Estatal de Washington han descubierto oscilaciones autosostenidas en el proceso de síntesis de Fischer-Tropsch, un método industrial clave para convertir carbón, gas natural o biomasa en combustibles líquidos. Este avance revela un comportamiento oscilatorio en la reacción en lugar de un estado estacionario, lo que podría conducir a una producción de combustible más eficiente y controlable. Este descubrimiento proporciona un nuevo enfoque basado en el conocimiento para el diseño de catalizadores y la optimización de procesos en la industria química.
Investigadores de la Universidad Estatal de Washington han logrado un gran avance en la comprensión del proceso de síntesis de Fischer-Tropsch, un método industrial clave para convertir carbón, gas natural o biomasa en combustibles líquidos. A diferencia de muchas reacciones catalíticas que permanecen en un estado estable, descubrieron que el proceso de Fisher-Tropsch exhibe oscilaciones autosostenidas, alternando entre estados de alta y baja actividad.
El descubrimiento, publicado en la revista Science, abre la posibilidad de optimizar las velocidades de reacción y aumentar el rendimiento de los productos deseados, lo que potencialmente permitirá una producción de combustible más eficiente en el futuro.
El autor correspondiente Norbert Kruse, Profesor Distinguido Woland en la Escuela de Ingeniería Química y Bioingeniería Gene y Linda Woland de la Universidad de Western Sydney, dijo: "Normalmente, la industria química no quiere tener oscilaciones de velocidad con grandes cambios de temperatura debido a preocupaciones de seguridad. En el caso actual, las oscilaciones son controlables y mecanísticamente bien entendidas. Tener tal base para la comprensión experimental y teórica hace que el enfoque de desarrollo sea completamente diferente; esto nos permite tener realmente un enfoque basado en el conocimiento, que recorrer un largo camino."
Repensar el diseño de catalizadores
Aunque el proceso de síntesis de Fischer-Tropsch se utiliza comúnmente en la producción de combustibles y productos químicos, los investigadores saben poco sobre cómo funciona este complejo proceso de conversión catalítica. El proceso utiliza catalizadores para convertir dos moléculas simples, hidrógeno y monóxido de carbono, en largas cadenas moleculares, los hidrocarburos ampliamente utilizados en la vida cotidiana.
Durante más de un siglo, la I+D en las industrias química y de combustibles se ha basado en un enfoque de prueba y error, pero ahora los investigadores podrán diseñar catalizadores de forma más intencionada y ajustar reacciones para inducir estados oscilatorios que mejoren el rendimiento catalítico.
Los investigadores tropezaron con el fenómeno de oscilación después de que el estudiante graduado Zhang Rui planteara un problema a Kruse: no podía estabilizar la temperatura de la reacción. Cuando lo estudiaron juntos, descubrieron oscilaciones sorprendentes.
Los investigadores no sólo descubrieron que la reacción producía un estado de reacción oscilatorio, sino también por qué. Es decir, cuando el calor generado por la reacción hace que la temperatura aumente, los gases reactivos pierden contacto con la superficie del catalizador y la velocidad de reacción disminuye, disminuyendo así la temperatura. Una vez que la temperatura es lo suficientemente baja, la concentración de gases reactivos en la superficie del catalizador aumenta y la velocidad de reacción aumenta. Por tanto, la temperatura aumenta y el ciclo finaliza.
La teoría y el experimento convergen
En el estudio, los investigadores demostraron la reacción en el laboratorio utilizando un catalizador de cobalto de uso común, ajustado añadiendo óxido de cerio y luego modelaron cómo funciona. Uno de los coautores, Pierre Gaspard de la Universidad Libre de Bruselas, desarrolló un protocolo de reacción y teóricamente impuso temperaturas variables periódicamente para replicar la velocidad y selectividad experimental de la reacción.
El autor correspondiente, Yong Wang, profesor Regent en el Wallander College de la Universidad de Western Sydney, dijo: "Es realmente maravilloso que hayamos podido construir un modelo teóricamente. Los datos teóricos y los datos experimentales son casi consistentes".
Kruse lleva más de 30 años estudiando reacciones oscilatorias. El descubrimiento del comportamiento oscilatorio de la reacción de Fisher-Tropsch fue sorprendente porque la reacción es mecánicamente extremadamente compleja.
"A veces nos encontramos con muchos contratiempos en nuestra investigación porque las cosas no salen como uno imaginaba, pero también hay momentos que no se pueden describir", dijo Kruse. "Es una gran sensación de logro, pero 'sentido de logro' es demasiado débil para describir la emoción de lograr este gran avance".